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3Dライトとシャドウ
はじめに
ライトは光を発し、それがマテリアルと混ざり合って目に見える結果を生み出します。光はシーン内のいくつかのタイプのライトから発せられます。
マテリアル自体の発光色 (エミッション): ただしベイク処理またはスクリーンスペース間接照明が有効になっていない限り、近くのオブジェクトには影響しません。
Lightノード: DirectionalLight3D、OmniLight3D、SpotLight3D。
環境色: Environment または 反射プローブ(Reflection Probe)。
グローバル イルミネーション: LightmapGI 、 VoxelGI 、 SDFGI。
発光色(エミッション)はマテリアルのプロパティです。詳細については、 StandardMaterial3D と ORMMaterial3D チュートリアルを参照してください。
参考
3Dライトとシャドウのデモプロジェクト では、さまざまな種類のライトの動作を比較できます。
Lightノード
Lightノードには DirectionalLight3D 、 OmniLight3D 、 SpotLight3D の 3 種類があります。ライトの共通パラメータを見てみましょう。
各プロパティには特定の機能があります:
Color: 放射される光の基本色。
Energy: エネルギー乗数。これは光を飽和させたり、 High dynamic range lighting を使用したりする場合に役立ちます。
Indirect Energy: 間接光 (光の反射) で使用される二次乗数。これは Using Lightmap global illumination 、VoxelGI、SDFGI で機能します。
Volumetric Fog Energy: ボリューメトリックフォグで使用される二次乗数。これはボリューメトリックフォグが有効な場合にのみ効果があります。
Negative: 光は加算的ではなく減算的になります。暗いコーナーを手動で補正できると便利な場合があります。
Specular: このライトの影響を受けるオブジェクトのスペキュラー反射光の強度に影響します。ゼロの場合このライトは純粋な拡散光になります。
Bake Mode: ライトのベイクモードを設定します。 Using Lightmap global illumination を参照してください。
Cull Mask: 下の選択されたレイヤーにあるオブジェクトがこのライトの影響を受けます。このカリングマスクによって無効にされたオブジェクトは、引き続き影を落とすことに注意してください。無効にされたオブジェクトに影を落とさないようにするには、GeometryInstance3D の Cast Shadow プロパティを目的の値に調整します。
参考
実際の単位を使用してライトの強度と色温度を設定する場合は、 Physical light and camera units を参照してください。
ライトの数の制限
When using the Forward+ renderer, Godot uses a clustering approach for real-time lighting. As many lights as desired can be added (as long as performance allows). However, there's still a default limit of 512 clustered elements that can be present in the current camera view. A clustered element is an omni light, a spot light, a decal or a reflection probe. This limit can be increased by adjusting Max Clustered Elements in Project Settings > Rendering > Limits > Cluster Builder.
When using the Mobile renderer, there is a limitation of 8 OmniLights + 8 SpotLights per mesh resource. There is also a limit of 256 OmniLights + 256 SpotLights that can be rendered in the current camera view. These limits currently cannot be changed.
When using the Compatibility renderer, up to 8 OmniLights + 8 SpotLights can be rendered per mesh resource. This limit can be increased in the advanced Project Settings by adjusting Max Renderable Elements and/or Max Lights per Object in Rendering > Limits > OpenGL, at the cost of performance and longer shader compilation times. The limit can also be decreased to reduce shader compilation times and improve performance slightly.
すべてのレンダリング方法では、一度に最大8つの DirectionalLight を表示できます。ただしシャドウが有効になっている追加の DirectionalLight ごとに、各 DirectionalLight の有効なシャドウ解像度が低下します。これは指向性シャドウアトラスがすべてのライト間で共有されるためです。
これらのレンダリング制限を超えると、カメラの移動中にライトが突然現れたり消えたりして気が散ることがあります。Lightノードの 距離フェード を有効にすると、この問題を軽減しパフォーマンスを向上させることができます。メッシュを小さな部分に分割することも役立ちます (特にレベルジオメトリの場合。またこれによりカリングの効率も向上します)。
If you need to render more lights than possible in a given renderer, consider using baked lightmaps with lights' bake mode set to Static. This allows lights to be fully baked, which also makes them much faster to render. You can also use emissive materials with any global illumination technique as a replacement for light nodes that emit light over a large area.
シャドウマッピング
ライトはオプションで影を落とすことができます。これにより、よりリアルになります(光は遮蔽された領域に届かない)が、パフォーマンスコストが大きくなる可能性があります。一般的なshadowのパラメーターのリストがあり、それぞれに特定の機能があります:
Enabled: チェックすると、このライトでシャドウマッピングが有効になります。
Opacity: 遮蔽された領域はこの係数によって暗くなります。デフォルトでは影は完全に不透明ですが、特定のライトに対して影を半透明にしたい場合は変更できます。
Bias: このパラメータが低すぎるとセルフシャドウが発生します。高すぎると影がキャスターから離れます。最適な値に調整してください。
Normal Bias: このパラメータが低すぎるとセルフシャドウが発生します。高すぎると影がキャスターからずれて表示されます。最適な値に調整してください。
Transmittance Bias: このパラメータが低すぎると、透過率が有効になっているマテリアルにセルフシャドウが発生します。高すぎると透過率が有効になっているマテリアルに影が一貫して影響しません。最適な値に調整してください。
Reverse Cull Face: 一部のシーンでは、フェイスカリングを反転してシャドウマッピングをレンダリングすると、より適切に機能します。
Blur: このライトの影のぼかし半径を乗算します。これは従来のシャドウマッピングとコンタクトハードシャドウ (Angular Distance または Size が
0.0より大きいライト) の両方で機能します。値が大きいほど影が柔らかくなり、移動するオブジェクトに対しても時間的に安定しているように見えます。Blurを大きくすると、フィルタリングに使用される粒状のパターンが目立つようになるという欠点があります。 シャドウフィルターのモード も参照してください。Caster Mask: Shadows are only cast by objects in these layers. Note that this mask does not affect which objects shadows are cast onto.
シャドウバイアスの調整
以下はバイアスの調整の様子を示した画像です。ほとんどの場合デフォルト値で問題ありませんが、一般的にはジオメトリのサイズと複雑さで変わってきます。
Shadow Bias または Shadow Normal Bias が特定のライトに対して低すぎる値に設定されていると、オブジェクトに影が「塗りつけられて」しまい、ライトが当たる面が不自然に暗くなってしまいます。これは シャドウアクネ と呼ばれます。
一方、Shadow Bias または Shadow Normal Bias が特定のライトに対して高すぎる値が設定されていると、影がオブジェクトから切り離されているように見えることがあります。これは ピーターパン現象 と呼ばれます。
一般的に Shadow Bias を増やすよりも、Shadow Normal Bias を増やす方が好まれます。Shadow Normal Bias を増やすと、Shadow Bias を増やすほどピーターパン現象は発生しませんが、それでもほとんどのシャドウアクネの問題を効率的に解決できます。Shadow Normal Bias を増やすことの欠点は、特定のオブジェクトのシャドウが薄く見える可能性があることです。
あらゆるタイプのバイアスの問題は シャドウマップの解像度を上げる ことで修正できますが、それによってパフォーマンスは低下します。
注釈
シャドウマッピング設定の調整は芸術です。「万能」な設定はありません。最高のビジュアルを実現するには、ライトごとに異なるシャドウバイアス値を使用する必要がある場合があります。
外観の変更に関する注意: ライトのシャドウを有効にすると、互換レンダラーで影なしでレンダリングされたときと比べてライトの外観が変わる可能性があることに注意してください。古いモバイル デバイスの制限により、影はマルチパスレンダリングアプローチを使用して実装されるため、影付きのライトは線形空間ではなく sRGB 空間でレンダリングされます。レンダリング空間の変更により、ライトの外観が大幅に変わる場合があります。影のないライトと同様の外観を実現するには、ライトのエネルギー設定を調整する必要がある場合があります。
指向性(Directional)ライト
これは最も一般的なタイプのライトであり、非常に遠くの光源(太陽など)を表します。また、計算するのに最も安価なライトであり、可能な限りこれを使用する必要があります(ただし、計算が最も安価なシャドウマップではありませんが、後で詳しく説明します)。
指向性ライトは、シーン全体をカバーする無数の平行光線をモデル化します。directional lightノードは、光線の方向を示す大きな矢印で表されます。ただし、ノードの位置は照明にまったく影響せず、どこにでも配置できます。
前面が光線に当たっているすべての面は明るくなり、そうでない面は暗くなります。他のライトタイプとは異なり、指向性ライトには特定のパラメーターはありません。
指向性ライトにはライトの角度を度単位で決定する Angular Distance プロパティもあります。これを 0.0 より大きくすると、キャスターから離れた距離で影が柔らかくなり、プロシージャルスカイマテリアルでの太陽の外観にも影響します。これは 接触硬化 シャドウ (PCSS とも呼ばれます) と呼ばれます。
参考までに、地球から見た太陽の角度距離は約 0.5 です。この種類の影はコストがかかるため、影が有効になっているライトでこの値を 0.0 より大きく設定する場合は PCSSの推奨事項 の推奨事項を確認してください。
指向性ライトのシャドウマッピング
シャドウ マップを計算するには、シーン全体 (または最大距離まで) をカバーする直交視点からシーンをレンダリングします(深度のみ)。ただしこのアプローチには問題があり、カメラに近いオブジェクトは低解像度のシャドウになりブロック状に見える場合があります。
これを修正するために Parallel Split Shadow Maps (PSSM) という手法が使用されます。これはビュー錐台を 2 つまたは 4 つの領域に分割します。各領域には独自のシャドウ マップが割り当てられます。これにより、ビューアーに近い小さな領域でも、遠くにある巨大な領域と同じシャドウ解像度を実現できます。DirectionalLight3D でシャドウを有効にすると、デフォルトのシャドウ モードは 4 分割の PSSM になります。オブジェクトが 4 つの分割すべてに表示されるほど大きいシナリオでは、描画呼び出しが増加します。具体的には、そのようなオブジェクトは合計 5 回レンダリングされます。4 つのシャドウ分割ごとに 1 回、最終的なシーンのレンダリングごとに 1 回です。これはパフォーマンスに影響を与える可能性があるため、この動作を理解することは、シーンを最適化し、パフォーマンスの期待を管理するために重要です。
これにより、影がより詳細になります:
PSSMを制御するために、いくつかのパラメーターが公開されています:
各Split(分割)距離はカメラのFarを基準にして制御されるため(または、値が0より大きい場合は影の Max Distance)、0.0 は目の位置で、1.0 は影の処理が行われなくなる場所です。Splitはその中間にあります。通常、デフォルト値は適切に機能しますが、最初のSplitを少し調整することで、近くのオブジェクト(サードパーソン ゲームのキャラクターなど)に精緻さを与えることが一般的です。
影の**Max Distance**は、シーンのニーズに合わせて必ず設定してください。Max Distanceを低くすると、影のレンダリングに含める必要のあるオブジェクトが少なくなるため、影の見栄えが良くなりパフォーマンスも向上します。Fade Start**を調整して、離れた場所での影のフェードアウトの強さを制御することもできます。**Max Distance**が任意のカメラ位置でシーンを完全に覆うシーンでは、**Fade Start**を ``1.0`` に増やして、離れた場所で影がフェードしないようにすることができます。**Max Distance がシーンを完全に覆わないシーンでは、影が離れた場所で突然途切れたように見えるため、この操作は行わないでください。
場合によっては、Splitと次のSplitの遷移の境の見栄えが悪くなることがあります。これを修正するには "Blend Splits" オプションをオンにします。これにより、詳細とパフォーマンスが犠牲になり、Splitの遷移がスムーズになります。
Shadow > Normal Bias パラメーターを使用して、オブジェクトがライトに垂直な場合のセルフシャドウイングの特殊なケースを修正できます。唯一の欠点は、影が少し薄くなることです。ほとんどの場合 Shadow > Bias を増やす前に、 Shadow > Normal Bias を増やすことを検討してください。
最後に Pancake Size は、分割されていないメッシュを持つ大きなオブジェクトを使用するときに影が欠けている問題を修正するために調整できるプロパティです。影のバイアスの問題とは関係のない影が欠けていることに気付いた場合にのみ、この値を変更してください。
オムニ(Omni/全方位)ライト
オムニライトは、特定の半径までのすべての方向に球形に光を放射する点光源です。
実際には、光の減衰は逆関数です。つまり、オムニライトには半径があるわけではありません。これは、複数のオムニライトの計算が要求されるようになることを意味するため、問題です。
この問題を解決するために、Attenuation(減衰)関数とともに Range が導入されました。
これらの2つのパラメーターーを使用すると、視覚的に美しい結果を得るために、これが視覚的にどのように機能するかを微調整できます。
OmniLight3D では Size パラメータも使用できます。この値を大きくすると、ライトのフェードアウトが遅くなり、キャスターから遠く離れているときに影がぼやけて見えるようになります。これを使用して、ある程度のエリア ライトをシミュレートできます。これは 接触硬化 シャドウ (PCSS とも呼ばれます) と呼ばれます。この種類のシャドウはコストがかかるため、シャドウが有効になっているライトでこの値を 0.0 より大きく設定する場合は PCSSの推奨事項 の推奨事項を確認してください。
オムニライトのシャドウマッピング
オムニライトのシャドウマッピングは比較的簡単です。考慮する必要がある主な問題は、レンダリングに使用されるアルゴリズムです。
オムニライトのシャドウは Dual Paraboloid または Cube Mapped としてレンダリングできます。Dual Paraboloid はレンダリングが高速ですが、変形が発生する可能性があります。一方 Cube Mapped はより正確ですが低速です。デフォルトは Cube Mapped ですが、視覚的な違いがあまりないライトの場合は Dual Paraboloid に変更することを検討してください。
レンダリングされるオブジェクトが大部分が不規則で細分化されている場合、通常は Dual Paraboloid で十分です。いずれにしても、これらのシャドウはシャドウアトラスにキャッシュされるため (詳細は最後に説明します)、ほとんどのシーンではパフォーマンスに違いは生じない可能性があります。
シャドウが有効になっているオムニライトはプロジェクターを利用できます。プロジェクターテクスチャは、ライトの色をテクスチャ上の特定のポイントの色で 乗算 します。その結果、プロジェクターテクスチャが割り当てられると、ライトは通常より暗く見えるようになります。これを補正するには Energy を増やします。
オムニライトの プロジェクターテクスチャには PanoramaSkyMaterial テクスチャに似た特別な 360° パノラママッピングが必要です。
以下のプロジェクターテクスチャを使用すると、次の結果が得られます。
Tip
キューブマップ画像の形式でオムニプロジェクターを取得した場合はこの Web ベースの変換ツール を使用して、それらを単一のパノラマ画像に変換できます。
スポット(Spot)ライト
スポットライトはオムニライトと似ていますが、コーン(または「カットオフ」)にのみ光を放出する点が異なります。懐中電灯、車のライト、反射板、スポットなどをシミュレートするのに役立ちます。このタイプのライトは、ライトが指し示す反対方向に向かって(角度が大きくなるほど)減衰します。
スポットライトは OmniLight3D と同じ Range および Attenuation を共有し、次の2つのパラメーターを追加します。
Angle: ライトの開口角。
Angle Attenuation: コーンの減衰。コーンの境界を柔らかくするのに役立ちます。
スポットライトのシャドウマッピング
スポットライトはシャドウマッピングに関して、オムニライトと同じパラメータを備えています。スポットライトのシャドウマップのレンダリングは、オムニライトに比べて大幅に高速です。これはレンダリングする必要があるシャドウテクスチャが1つだけであるためです (Cube Mapped モードで6回、またはDual Parabolid モードで2回レンダリングする代わりに)。
シャドウが有効になっているスポットライトはプロジェクターを利用できます。プロジェクターテクスチャはライトの色をテクスチャ上の特定のポイントの色で 乗算 します。その結果、プロジェクターテクスチャが割り当てられると、ライトは通常より暗く表示されます。これを補正するには Energy を増やします。
オムニライトのプロジェクターとは異なり、スポット ライトのプロジェクターテクスチャは、正しく見えるようにするために特別な形式に従う必要はありません。 デカール と同様の方法でマッピングされます。
以下のプロジェクターテクスチャを使用すると、次の結果が得られます。
注釈
Angleが広いスポットライトは、シャドウマップが広い表面に広がるため、Angleが狭いスポットライトよりも影の品質が低くなります。Angleが 89 度を超えると、スポットライトのシャドウは完全に機能しなくなります。より広いライトに影が必要な場合は、代わりにオムニライトを使用してください。
シャドウアトラス
独自のシャドウテクスチャを持つ指向性ライトとは異なり、オムニライトとスポットライトはシャドウアトラスのスロットに割り当てられます。このアトラスは、[プロジェクト設定] → [レンダリング] → [ライトとシャドウ] → [Positional Shadow]で設定できます。
解像度はシャドウアトラス全体に適用されます。このアトラスは4つの象限に分かれています:
各象限を細分化して、シャドウマップをいくつでも割り当てることができます。以下はデフォルトのサブディビジョンです:
シャドウアトラスは次のようにスペースを割り当てます。
最大のシャドウマップサイズ (サブディビジョンが使用されていない場合) は、画面と同じサイズ (またはそれ以上) のライトを表します。
サブディビジョン (小さいマップ) は、視界から遠く比較的に小さくなるライトの影を表します。
すべてのフレームで、すべてのライトに対して次の手順が実行されます:
ライトが適切なサイズのスロットにあるかどうかを確認します。そうでない場合は、再レンダリングして、より大きな/より小さなスロットに移動します。
シャドウマップに影響するオブジェクトが変更されていないか確認してください。もしそうなら、ライトを再レンダリングします。
上記のいずれも発生していない場合、何も実行されず、影はそのまま残されます。
象限のスロットがいっぱいの場合、ライトはサイズと距離に応じて小さいスロットに押し戻されます。すべての象限のすべてのスロットがいっぱいの場合、一部のライトはシャドウが有効になっている場合でもシャドウがレンダリングできません。
デフォルトのシャドウ割り当て方針では、カメラの錐台でシャドウを有効にした状態で最大 88 個のライトをレンダリングできます (4 + 4 + 16 + 64)。
最初の最も詳細な象限には 4 つの影を保存できます。
2 番目の象限には、他の 4 つの影を保存できます。
3 番目の象限には、詳細度は低くなりますが、16 個の影を保存できます。
4 番目で最も詳細度の低い象限には、さらに詳細度の低い 64 個の影を保存できます。
象限あたりの影の数を増やすと、影を有効にした状態でより多くのライトをサポートできると同時に、パフォーマンスも向上します (影はライトごとに低い解像度でレンダリングされるため)。ただし象限あたりの影の数を増やすと、影の品質が低下します。
場合によっては、異なる割り当て方針を使用する必要があるかもしれません。たとえばすべてのライトがほぼ同じサイズのトップダウンゲームでは、すべてのライトの影の品質レベルが同等になるように、すべての象限を同じサブディビジョンに設定する必要がある場合があります。
パフォーマンスと品質のバランス
シャドウ レンダリングは、3D レンダリングのパフォーマンスにおいて重要なトピックです。ボトルネックが生じないように、ここで適切な選択を行うことが重要です。
Directional shadow quality settings can be changed at runtime by calling the appropriate RenderingServer methods.
Positional (omni/spot) shadow quality settings can be changed at runtime on the root Viewport.
シャドウマップのサイズ
シャドウの解像度を高くすると影がシャープになりますが、パフォーマンスが大幅に低下します。また 影がシャープになると必ずしもリアルになるわけではない ことにも注意してください。ほとんどの場合、この値はデフォルト値の 4096 のままにするか、ローエンドの GPU の場合は 2048 に下げてください。
シャドウマップのサイズを小さくした後、位置系ライトのシャドウがぼやけすぎる場合は シャドウ アトラス 象限を調整してシャドウの数を減らすことで回避できます。これにより各シャドウをより高い解像度でレンダリングできるようになります。
シャドウフィルターのモード
ここでは、いくつかのシャドウ マップ品質設定を選択できます。デフォルトの Soft Low は、詳細なテクスチャのあるシーンのパフォーマンスと品質のバランスが取れており、テクスチャの詳細によってディザリングパターンが目立たなくなります。
ただしテクスチャの詳細度が低いプロジェクトでは、シャドウディザリングパターンが目立つ場合があります。このパターンを非表示にするには Temporal antialiasing (TAA) 、 AMD FidelityFX Super Resolution 2.2 (FSR2) 、 高速近似アンチエイリアス(FXAA) を有効にするか、シャドウフィルターの品質を Soft Medium 以上に上げます。
Soft Very Low 設定では、シャドウブラーが自動的に減少し、サンプル数が少ないことによるアーティファクトが目立たなくなります。逆に Soft High および Soft Ultra 設定では、シャドウブラーが自動的に増加し、増加したサンプル数をより有効に活用します。
16ビット対 32ビット
Godot デフォルトではシャドウ マップのレンダリングに 16 ビットの深度のテクスチャを使用します。品質も悪くなくパフォーマンスも良いため、ほとんどの場合にこれが推奨されます。
16ビット を無効にしている場合は、代わりに32ビットの深度テクスチャが使用されます。これにより大規模なシーンや、シャドウが有効になっている大きなライトでのアーティファクトが少なくなります。ただし違いはほとんど目に見えないことが多いですが、パフォーマンスに大きなコストがかかる可能性があります。
ライト/シャドウの距離フェード
OmniLight3D と SpotLight3D には、遠くのライトを非表示にするプロパティがいくつか用意されています。これにより数十個以上のライトがある大規模なシーンでパフォーマンスが大幅に向上します。
Enabled: 距離フェード (LOD の形式) を有効にするかどうかを制御します。ライトは Begin + Length にわたってフェードアウトし、その後はカリングされてシェーダーでは全く計算されません。これを使用してシーン内のアクティブなライトの数を減らし、パフォーマンスを向上させることができます。
Begin: ライトが消え始めるカメラからの距離 (3D 単位)。
Shadow: シャドウが消え始めるカメラからの距離 (3D 単位)。これを使用すると、ライトに比べてシャドウを早くフェードアウトできるため、パフォーマンスがさらに向上します。ライトのシャドウが有効になっている場合にのみ使用できます。
Length: ライトとシャドウがフェードアウトする距離 (3D 単位)。この距離を進むにつれてライトは徐々に透明になり、最後には完全に見えなくなります。値が高いほどフェードアウトの遷移がスムーズになり、カメラが高速で移動する場合に適しています。
PCSSの推奨事項
Percentage-closer soft shadows (PCSS) は、キャスターとシャドウを受けるサーフェス間の距離に応じて半影のサイズが変化する、よりリアルなシャドウ マッピングの外観を提供します。これは、特にディレクショナルライトの場合、パフォーマンス コストが高くなります。
パフォーマンスの問題を回避するには、次のことをお勧めします。
一度に PCSS シャドウを有効にしたライトは、少数だけ使用してください。効果は一般的に大きくて明るいライトで最も顕著になります。より弱い二次ライトでは、通常 PCSS シャドウを使用してもあまり効果がありません。
ユーザーが PCSS シャドウを無効にする設定を提供します。ディレクショナルライトではスクリプトで DirectionalLight3D の
light_angular_distanceプロパティを0.0に設定することでこれを実行できます。位置系ライトではスクリプトで OmniLight3D または SpotLight3D のlight_sizeプロパティを0.0に設定することでこれを実行できます。
プロジェクターフィルターモード
The way projectors are rendered also has an impact on performance. The Rendering > Textures > Light Projectors > Filter advanced project setting lets you control how projector textures should be filtered. Nearest/Linear do not use mipmaps, which makes them faster to render. However, projectors will look grainy at distance. Nearest/Linear Mipmaps will look smoother at a distance, but projectors will look blurry when viewed from oblique angles. This can be resolved by using Nearest/Linear Mipmaps Anisotropic, which is the highest-quality mode, but also the most expensive.
プロジェクトにピクセル アート スタイルが含まれている場合は、プロジェクターが最近傍フィルタリングを使用するように、フィルターを Nearest 値の 1 つに設定することを検討してください。それ以外の場合は、Linear を使用してください。